1活性炭简述活性炭是经过活化处理后的碳，其具备比表面积大，孔隙多的特点，使其具有较强吸附能力。颗粒碳比表面积一般可达700—1200m2/g，其孔径大小范围在1.5nm一5um之间。其吸附方式主要通过2种途径：一是活性炭与气体分子间的范德华力，当气体分子经过活性炭表面，范德华力起主导作用时，气体分子先被吸附至活性炭外表面，小于活性炭孔径的分子经内部扩散转移至内表面，从而达到吸附的效果，此为物理吸附;二是吸附质与吸附剂表面原子间的化学键合成，此为化学吸附。活性炭吸附一般适用于大风量、低浓度、低湿度、低含尘的有ji废气。 活性炭吸附在VOCs治理中利用吸附剂(粒状活性炭和活性炭纤维)的多孔结构，将废气中的VOC捕获。将含VOC的有ji废气通过活性炭床，其中的VOC被吸附剂吸附，废气de到净化，而排入大气。 活性炭吸附法主要用于脂肪和芳香族碳氢化合物、大部分含氯溶剂、常用醇类、部分酮类和酯类等的回收。 活性炭吸附VOCs的特点 活性炭作为目前zui常用的VOCs吸附剂，主要有以下特点。 (1) 活性炭具有孔径分布广泛、孔隙率高和比表面积大的优点。 (2) 活性炭的机械性能gao、化学性质稳定，能在较大的pH 范围内使用。 (3) 活性炭具有一ding的催化活性。 (4) 活性炭的疏水性使其对挥发性有ji化合物有ji强的吸附性，并且能在较大的湿度下依然保持较强吸附性能。 2活性炭吸附适用范围吸附技术是zui为经典和常用的气体净化技术，也是目前工业VOCs治理的主流技术之一。吸附法主要适用于低浓度气态污染物的吸附分离与净化，对于gao浓度的有ji气体，一般情况下首先需要经过冷凝等工艺进行“降浓”处理，然后再进行吸附净化。对于“油气”等gao浓度VOCs气体的净化，也可以采用吸附法(降压解吸zai生 )，但对活性炭有一些te殊的要求。 活性炭吸附技术主要用于废气中组分比较简单、有ji物回收利用价值较高的情况，适于喷漆、印刷和粘合剂等温度不高，湿度不大，排气量较大的场合，尤其对含卤化物的净化回收geng为有xiao。- 2.1 污染物浓度要求除溶剂和油气储运销装置的有ji废气吸附回收外，进入吸附装置的有ji废气中有ji物的浓度应低于其爆炸ji限下限的25%。当废气中有ji物的nong度gao于其爆炸ji限下限的25%时，应使其降低到其爆炸ji限下限的25%后方可进行吸附净化。对于含有混合有ji化合物的废气，其控制浓度P应低于最易爆炸组分或混合气体爆炸ji限下限值的 25%，即 P Pm=(P1+P2+...+Pn)/(V1/P1+V2/P2+...+Vn/Pn) 式中： Pm——混合气体爆炸ji限下限值，% P1，P2， , ， Pn——混合有ji废气中各组分的爆炸ji限下限值，% V1， V2，, ， Vn——混合有ji废气中各组分所占的体积百分数，% n——混合有ji废气中所含有ji化合物的种数。 废气浓度： LEL25 ～50% 2.2 气体温度要求进入吸附装置的废气温度宜低于40℃。正常情况下，VOCs气源温度需要低于40℃才能让活性炭进行工作，25℃是活性炭产品吸附条件比较合适的温度，实际的工程应用中，如果一旦温度不在这个范围内，那么活性炭吸附VOCs气源就会变得比较吃力，或者因为气温气压的变化出现VOCs气源释放的情况。 2.3 湿度对活性炭吸附性能的影响2.3.1 湿度要求进入活性炭吸附装置的废气湿度应该尽可能低。 2.3.2原理1、由于活性炭表面通常含有大量的含氧基团，一般活性炭均具有较强的吸水能力，与有ji物产生竞争吸附作用。 2、活性炭中含有灰分(金属氧化物 )，提高了其吸水能力。 2.3.3提gao活性炭的疏水性能的方法(1)原材料的影响：如煤种的影响、沥青基球型活性炭具有较好的疏水能力; (2)高碘值活性炭(挥发份低)的疏水能力通常要优于低碘值的活性炭; (3)对活性炭进行表面疏水改性，去除或减少表面含氧基团、降低灰分(金属氧化物 )。 2.4 颗粒物影响进入吸附装置的颗粒物含量宜低于1mg/m3。 粉尘：细颗粒物 (化工、家具等) 漆雾颗粒物 (形成气溶胶 )：影响zui大 (喷涂废气的处理难题) 絮状颗粒物 (印刷、橡胶、化纤等生产过程) 2.5 废气成分的影响2.5.1活性炭的“中毒”(或劣化 )高沸点 (或“半挥发性”)物质zai生困难，在活性炭上聚集，如硅烷、油脂等化合物，需要通过冷凝、过滤、吸附等预处理首先jin行去除; 发生聚合反应，造成在活性炭上聚集，如甲醛、苯乙烯等; 二硫化碳(硫化氢 )等吸附反应形成单质硫的聚集。 在吸附气体中即使含有微量的高分子物质或聚合性物质，在活性炭中聚集,也会很快引起活性炭吸附性能急剧下降。 2.5.2活性炭的反应活性(催化性)活性炭表面具有催化活性，会与一些化合物部分进行氧化、水解等催化反应。 典型反应： (1)乙酸乙酯、乙酸丙酯等易发生水解反应形成有ji酸; (2)MEK(甲乙酮)、MIBK(甲基异丁基酮)易被氧化形成有ji酸和丁二酮;环己酮氧化或聚合形成环亚己基环己酮; (3)甲醛、苯乙烯等易发生聚合反应; (4)其他：如树脂生产中的添加剂带入二甲基乙酰胺和二甲基甲酰胺在活性炭上会发生水解生产二甲胺，造成臭气排放问题。 2.5.3废气成分造成的问题(1) 回收的溶剂变色、发臭(如包装印刷废气 ) (2) 聚合后难zai生，造成活性炭中毒(劣化 ) (3) 反应放热，造成活性炭着火。 3 活性炭吸附的影响因素3.1活性炭孔隙分布对VOCs 吸附效果的分析活性炭不同孔径的孔隙具有完quan不同的吸附机理。其中微孔(<2nm)吸附基本符合微孔填充理论，即固体吸附剂表面存在位势场，邻近的VOCs分子在场的作用下吸附在吸附剂表面;过渡孔(2nm 至100nm)吸附时除单分子层和多分子层吸附外，更主要的是通过毛细凝聚机理产生容积填充吸附;大孔(>100nm)吸附主要是多分子层吸附，符合BET 理论。此外,活性炭的孔径要和VOCs 的分子大小相匹配才能被有xiao吸附。在分子大小相匹配的情况下，活性炭孔径的分布越均匀、孔的形状越规则，则活性炭吸附效果越好。 梁晓怿等通过活性炭对甲醛气体的吸附试验，证明吸附效果与活性炭孔结构和甲醛分子的表面官能团密切相关：活性炭的微孔比表面积越大，其表面能越高，吸附效果越明显;若活性炭过渡孔比表面积大，则吸附达到平衡的时间短。 3.2 活性炭活化方式对VOCs吸附效果的分析 活性炭的活化按活化方式可分为物理活化和化学活化。其中物理活化是利用活性气体在较高温度下对活性炭进行弱氧化，常用水蒸气或CO2来活化活性炭。化学活化法是在一ding温度下将活性炭浸渍在化学药品中对其表面进行改性，常用硝酸及其盐类。 R. R.Bansod 等利用不同原料和不同方法制备的活性炭对苯、二氯甲烷、四氯化碳等化合物进行吸附试验。结果表明，活性炭的制备材料和制作过程对活性炭吸附能力有显著影响。 3.3 对不同初始浓度VOCs吸附效果的分析VOCs浓度对活性炭吸附效果有显著影响。一般情况下，VOCs初始浓度越大，其对活性炭的穿透时间和饱和时间越短。活性炭对gao浓度VOCs 吸附的过程属于物理吸附，基本不用考虑化学吸附的影响，吸附效果主要取决于活性炭孔径的大小和数量;而对于低浓度VOCs 吸附的过程属于化学吸附，吸附效果主要取决于VOCs的化学性质。 袁文辉等进行了不同浓度的甲苯吸附试验。结果表明，不同浓度甲苯的10% 穿透吸附剂的时间与吸附质初始浓度的对数存在线性关系，即吸附质初始浓度越大，其透过吸附剂的时间越短，吸附质的吸附效果越好。 3.4 对不同分子量和极性VOCs吸附效果的分析VOCs的分子量和极性对活性炭吸附效果有很大影响。一般情况下，若VOCs结构类似，其相对分子质量越大，则被吸附得越多;对分子质量和结构都相近的VOCs，则是不饱和性越大越易被吸附。 Yu-ChunChiang等利用不同原料制配的活性炭吸附苯、二氯甲烷、氯仿和四氯化碳4 种VOCs。结果表明，活性炭对苯的吸附效果geng强，因为苯有较高的吸附热和较低的熵变。 3.5 不同组分VOCs吸附效果的分析VOCs的组分不同，活性炭吸附的效果不同。因为VOCs各组分的吸附亲和力不同，在被活性炭吸附时会产生竞争效应。VOCs各组分在活性炭表面的吸附过程是一个吸附和解离的动态平衡过程，吸附neng力qiang的VOCs组分先达到动态平衡，吸附能力弱的VOCs组分后达到平衡。 3.6 其他因素对活性炭吸附效果的分析VOCs流量、吸附剂的填充密度等对吸附质的吸附效果都有不同程度的影响。袁文辉研究了用活性炭吸附苯系物的试验。结果表明，VOCs的流量加大会较快到达穿透点和吸附饱和点，吸附曲线斜率不变，使穿透曲线发生前移;吸附剂填充密度对吸附质穿透时间与饱和时间都有影响，吸附剂填充密度大有利于吸附。 吸附技术是zui为经典和常用的气体净化技术，也是目前工业VOCs 治理的主流技术之一。吸附法主要适用于低浓度气态污染物的吸附分离与净化，对于gao浓度的有ji气体，一般情况下首先需要经过冷凝等工艺进行“降浓”处理，然后再进行吸附净化。 4 活性炭吸附装置及计算4.1空塔气速的确定空塔气速为气体通过吸附器整个横截面的速度。空塔气速的选择不仅直接决定了吸附器尺寸和压降的大小，而且还会影响吸附效率。气速很小，则吸附器的尺寸很大，不经济；气速过大，则压降会增大，使吸附效率受到影响。通过实验确定zui佳气速。吸附设计中不能追求过高的吸附效率，把空塔速度取值降低，那样会使吸附床体积、吸附剂用量和设备造价大为提高；反之也不宜取过大的空塔气速，那样设备费用虽低，但吸附效率下降很多，且体系压降会随空塔速度的增大上升很快，造成动力消耗过大，因此应选取合适的空塔气速，zui适宜的空塔气速为0.8~1.2m/s。 4.2过滤风速的确定活性炭过滤风速在《吸附法工业有ji废气治理工程技术规范》(HJ2026—2013)中，可以查到固定床吸附，采用颗粒状吸附剂气体流速宜低于0.6m/s，采用纤维状吸附剂气体流速宜低于0.15m/s，采用蜂窝状吸附剂气体流速宜低于1.2m/s;过滤面积即可根据处理风量和过滤风速计算得出。 4.3吸附层计算碳层厚度的设计，就需要结合废气的产生浓度、去除效率、活性炭的更换时长等因素进行。一般会采用2种方式计算碳层厚度：1、根据活性炭需要的更换周期，来确定活性炭的总的装填量，之后再根据过滤面积计算碳层厚度;2、在考虑吸附箱尺寸大小、碳层风阻、过滤风速的情况下，依照经验直接选定一个厚度值。 以上设计基于活性炭的吸附速率为一个恒定值或者无xian大到可忽略不计的情况下设计的。而实际中吸附速率目前还不能有xiao计算出，不同的碳、不同的过滤风速、不同的风压等等，都会影响碳层的速率吸附速率。 实际中影响碳层吸附速率的因素有：吸附质浓度、风压、温度、活性炭比表面积等等，各条件参数之间的关系可以表示为以下公式：
停留时间确定后，活性炭的厚度即可根据设计的过滤风速计算得出。 计算步骤： 假定吸附床到达穿透时间时全部处于饱和状态，即达到它的平衡吸附量a,也称a为净活度，在吸附作用时间t内，所吸附污染物的量为： 式中：X---在时间t内的吸附量； a---静活度，重量，% S---吸附层的截面积，m2 L---吸附层高度，m ---吸附剂的堆积密度； 活性炭的作用时间由下式算出：
式中：V---活性碳的装填量，m3 C---jin口气污染物浓度，mg/m3 Q---气流量，m3/h t---活性炭使用时间，h W---活性炭原粒度的中重量穿透炭容，% d---活性炭的堆密度，t/m3 由上述公式可计算出吸附作用时间及吸附层高度 吸附剂用量M：
4.4吸附装置分析同样的条件下，一般活性炭层的厚度越厚，其去除效率也会越高，但实际应用中，为提高设备的经济性，通常要考虑碳层厚度不能无xian制的加厚，因此对于活性炭层厚度的选择，需要根据去除效率要求和碳本身的吸附速率，进行有xiao设计计算。可以看出，(1)碳层厚度选择小，吸附速率慢，碳层就会容易被穿透，导致去除效率降低;(2)碳层厚度选择大，吸附速率快，碳层就不容易被穿透，碳可以长时间使用。 当炭吸附达到饱和后，对饱和的炭床进行脱附zai生;通入水蒸汽加热炭层，VOC被吹脱放出，并与水蒸汽形成蒸汽混合物，一起离开炭吸附床，用冷凝器冷却蒸汽混合物，使蒸汽冷凝为液体。 对于水溶性VOC气体，用精馏将液体混合物提纯;水不溶性VOC气体，用沉析器直接回收VOC。比如，涂料中所用的“三苯”与水互不相溶，故可以直接回收。 采用纤维状活性炭时，吸附单元的压力损失宜低于4kPa；采用其他形状吸附剂时，吸附单元的压力损失宜低于2.5kPa。 对于一次性吸附工艺，当排气浓度不能满足设计或排放要求时应更换吸附剂；对于可zai生工艺，应定期对吸附剂动态吸附量进行检测，当动态吸附量降低至设计值的80%时宜更换吸附剂。 4.5吸附剂zai生温度当使用水蒸气zai生时，水蒸气的温度宜低于140℃。 当使用热空气zai生时，对于活性炭和活性炭纤维吸附剂，热气流温度应低于120℃。含有酮类等易燃气体时，不得采用热空气zai生。脱附后气流中有ji物的浓度应严格控制在其爆炸下限的25%以下。 4.6常用吸附床特点比较
5活性炭吸脱附技术5.1变压吸附变压吸附 （PSA），是指在恒温或无热源状态中，利用对系统压力周期性调整的形式，促使吸附质在多种压力环境下进行吸、脱附的循环运转过程。结合操作方式的差异性，根据范德华力之间的差异性，可将PSA分为用普通活性炭进行分离的平衡吸附型和用te特shu活性炭分子筛实现分离的速度分离型。大部分吸附处理工艺多是在常压条件下进行，脱附流程则是应用降低操作压力或抽真空的方式去操作的，并且在脱附过程中真空度越大，脱附越优良。但是在现实操作过程中，高真空度对吸附设备性能提出较gao要求且运行期间能耗量较大，结合VOCs的治理成本与吸附效果等因素，工业通常将脱附压力设为8～10kPa。PSA技术因为自动化程度较高，故此可构建循环操作模式，但是在具体操作期间需连续加压减压，对设备性能要求较高，能源耗用量较大，通常被应用在gao档溶剂的回收ling域中。变压吸附过程中VOCs气相浓度变化规律见图1。
图1 吸附过程开始时气相浓度分布示意图
5.2 变温吸附变温吸附（TSA）的运行机理可做出如下阐述：应用吸附剂的平衡吸附量伴随温度上升而下降的属性，实现在常温条件下的吸附，温度上升后达到预设脱附目标的过程。活性炭脱附过程吸热，升温对脱附效率的提升有明显的cu进作用。若采用水蒸气、热气体等介质进行脱附时，脱附温度一般被控制在100～200℃范畴中。在对VOCs进行吸附处理过程中，如果吸附量指标偏高，吸附质属于沸点偏低的小分子碳氢化合物与芳香族有ji物时，可利用水蒸气脱附以后进行冷凝回收；如果若吸附量偏低，例如吸附对象是甲苯、二甲基乙酞胺等 VOCs，建议应用其他热气体（热空气、热N2 等）吹扫进行脱附，在以上工艺结束后可采用灼烧或再吸附工艺技术实现回收。RAMALINGAM等应用TSA技术，对室内环境中室内常见丙酮、二氯甲烷与甲酸乙酯3类VOCs的回收利用情况进行分析，发现以上三类VOCs热N2 zai生的最适操作条件为：T=170℃、V=0.17m/s。和变压吸附相比较，变温吸附通常会应用固定床，固定床吸附效率geng高，设备设施简单，工艺相对成熟化。 5.3变电吸附变电吸附（ESA），多被应用到气体净化与分离ling域中，其是最近几年中刚刚yan发的一类新兴工艺，本质是变温吸附。但是和传统变温吸附相比较，变电吸附脱附过程是用电加热饱和吸附剂去实现的，焦耳效应形成的热量会对吸附质的释放过程产生明显的cu进作用。将变电吸附应用于VOCs处理ling域中，有如下诸多优势：①加热系统构造简单；②能量可直接传给吸附剂，提升能量的利用效率；③加热xiao率gao，能明显降低VOCs处理过程中能量损耗率；④可独立管控气体流速与吸附剂温度的上升速率；⑤热量流与质量流的方向一致，能有助于进一步提升脱附效率；⑥运行成本低廉，和热蒸气zai生工艺相比较，变电脱附可节约50.0%以上的费用；⑦；zai生性能优良，guo外有研究发现，变电吸附工艺经12次循环使用后，吸附剂的吸附容量依然 保留97.0～100.0%。 |
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